Sinkki-karbonyypipatteri | Sinkki-karbonyypipatterien tyypit | Etu- ja haittapuolit
Sinkki-karbottiakku
Porukkaista savitassu yhdessä sekoituksen ja hiilikuituputken kanssa toimi positiivisena sähködeneksi tai katodina, ja se asetettiin ammoniumkloridiratkaisuun lasilaudassa. Vuonna 1876 Leclanche itse paransi omiaan alkuperäistä sinkki-karbottiakun suunnittelua. Hän sekoitti resiinaseoksia mangaanidioxiidiin ja hiilikuituun muodostaakseen kompaktin kiinteän lohkon hydraulisen paineen avulla. Tämän katodimateriaalin kiinteään rakenteeseen ei enää tarvinnut porukkaista savitassua Leclanche-akkusoluessa. Vuonna 1888 Dr. Carl Gassner kehitti edelleen Leclanche-solun rakennetta. Hän käytti pliesteripariisin ja ammoniumkloridin pastaa elektrolyyttina, eikä nestemäistä ammoniumkloridia. Hän teki kontin sinkkistä, joka toimi myös anodina akussa. Hän vähensi paikallista kemiallista toimintaa akussa kattamalla sinkki-kloridi–ammoniumkloridilla saturoituja vaatteita sylinterimäiseen katodimateriaaliin.
Myöhemmin hän korvasi pliesteripariisin vehon, elektrolyyttiseokseen. Tämä oli ensimmäinen kaupallinen kuiva sinkki-karbottiakun suunnitelma. Matka ei päätynyt tähän. Leclanche-akku kehitettiin edelleen vastaamaan sen jatkuvaan markkinakysyntään 20th luvulla. Myöhemmin katodin sähkökerääjänä käytettiin akyliitin mustaa hiiltä, joka on johtavampi kuin grafiitti. Kehitystyötä on tehty myös erottelijan suunnittelussa ja puhdaskeulajärjestelmässä.
Vuoden 1960 jälkeen enemmän huomiota ohjattiin sinkki-kloridiakun kehittämiseen. Tämä on myös suosittu versio sinkki-karbottiakusta. Tässä sinkki-kloridiä käytetään elektrolyyttina ammoniumkloridin sijaan. Tätä kehitettiin paremman suorituksen saavuttamiseksi raskasvirran sovelluksissa. Toisin sanoen sinkki-kloridiakku on parannettu vaihtoehto Leclanche-akulle raskasvirran sovelluksissa.
Kemiallinen reaktio sinkki-karbottiakussa
Leclanche-akkusoluessa sinkkiä käytetään anodina, mangaanidioxiidia katodina ja ammoniumkloridia pääelektrolyyttina, mutta elektrolyyttiin sisältyy pientä määrää sinkki-kloridia. Sinkki-kloridiakussa sinkkiä käytetään anodina, mangaanidioxiidia katodina ja sinkki-kloridia elektrolyyttina.
Molemmissa sinkki-karbottiakkuissa purkautumisessa sinkki-anodi osallistuu oksidointireaktioon, ja jokainen sinkki-atomissa osallistuva reaktio vapauttaa kaksi elektronia.
Nämä elektronit kulkevat katodiin ulkoisen ladunkierroksen kautta.
Leclanche-akkusoluessa ammoniumkloridi (NH4Cl) esiintyy elektrolyyttiseoksessa NH4+ ja Cl –-muodossa. Katodissa MnO2 palautuu Mn2O3-muotoon reagoimalla ammoniumioni (NH4+). Lisäksi Mn2O3-muodostuksen lisäksi tämä reaktio tuottaa myös ammoneisia (NH3) ja vettä (H20).
Mutta tämän kemiallisen prosessin aikana jotkut ammoniumionit (NH4+ ) palautuvat suoraan elektronien toimesta ja muodostavat kaasumuotoista ammoneisia (NH3) ja vetyä (H2).
Sinkki-karbottiakussa tämä ammoneijakaasu reagoi edelleen sinkki-kloridin (ZnCl2) kanssa muodostaakseen kiinteän sinkki-ammoniumkloridin ja kaasumuotoista vetyä, joka reagoi mangaanidioxiidin kanssa muodostaakseen kiinteää di-mangaani-trioksidia ja vettä. Nämä kaksi reaktiota estävät kaasupaineen muodostumisen akun purkautuessa.
Yhteensä reaktio on,
Sinkki-kloridiakku on parannettu versio sinkki-karbottiakusta. Nämä akut merkitään yleensä raskaaksi akkuna. Sinkki-kloridiakussa käytetään ainoastaan sinkki-kloridipastaa (ZnCl2) elektrolyyttina. Tämä akku tuottaa enemmän virtaa, enemmän jännitettä ja elinkaarta kuin yleiskäyttöinen sinkki-karbottiakku. Katodireaktio on,
Yhteensä reaktio on,
Sinkki-karbottiakun jännitearvo
Sinkki-karbottiakun standardijännitearvo määräytyy akkusolun anodin ja katodin materiaalien perusteella. Sinkki-karbottiakussa sinkkiä käytetään anodina ja mangaanidioxiidia katodina. Sinkin sähködeneksen potentiaali on – 0.7 voltta, kun taas mangaanidioxiidin sähködeneksen potentiaali on 1.28.
Siksi jokaisen solun teoreettinen jännite tulisi olla – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, mutta ottaen huomioon monia käytännön olosuhteita, standardin sinkki-karbottiakun todellinen jännite on enintään 1.5 V.
Sinkki-karbottiakun energiatiheys
Katodimateriaalin mangaanidioxiidin molimassa on 87 g/mol. Tässä akun reaktiossa havaitaan, että kaksi elektronia palauttavat kaksi mangaanidioxiidimolekyyliä. Siksi Faradayn vakion mukaan 28.6 Ah voidaan tuottaa yhden molin tai 87 g mangaanidioxiidin täydellä palauttamisella. Siksi 87/26.8 = 3.24 g mangaanidioxiidia tarvitaan 1 Ah sähköä tuottamaan.
Anodin materiaalin sinkin molimassa on 65 g/mol. Tässä akun reaktiossa havaitaan, että kaksi elektronia oksidoivat yhden sinkiatomin. Siksi Faradayn vakion mukaan 28.6 Ah voidaan tuottaa yhden molin tai 65/2 g tai 32.5 g sinkin täydellä oksidoitumisella. Siksi 32.5/26.8 = 1.21 g sinkiä tarvitaan 1 Ah sähköä tuottamaan.
Sinkki-karbottiakun kokonaismääräinen energiatiheys on 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g tai 224 Ah/Kg. Tämä on täysin teoreettinen laskelma, mutta käytännössä monet muut materiaalit, kuten elektrolyytti, musta hiili, vesi, on sisällyttävä akkuun, joiden paino ei voi jättää pois. Lisäksi näihin on otettava huomioon monia muita käytännön olosuhteita akussa. Ottaen kaiken huomioon, käytännön alavirtauksessa Leclanche-akkusoluella on energiatiheyden arvo 75 Ah/Kg, ja sama raskaan käytön ja väliaikaisten purkautumisten akulle on noin 35 Ah/Kg.
Sinkki-karbottiakun tyypit
Kuten mainitsimme aiemmin, on olemassa kaksi sinkki-karbottiakun tyyppiä.
